ΕΚΦΡΑΣΕΙΣ ΠΕΡΙΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ

Transcript

1 ΕΚΦΡΑΣΕΙΣ ΠΕΡΙΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ Η συγκέντρωση συμβολίζεται γενικά με το σύμβολο C ή γράφοντας τον μοριακό τύπο της διαλυμένης ουσίας ανάμεσα σε αγκύλες, π.χ. [ΝΗ 3 ] ή [Η 2 SO 4 ]. Σε κάθε περίπτωση, η συγκέντρωση εκφράζεται σε αριθμό μονάδων μάζας ή βάρους ή όγκου της διαλυμένης ουσίας ανά μονάδα μάζας ή βάρους ή όγκου του διαλύτη ή του διαλύματος. Δηλαδή: (συγκέντρωση) = (ποσότητα δ/νης ουσίας)/ (ποσότητα δ/τος ή δ/τη). ΟΙ ΚΥΡΙΟΤΕΡΕΣ ΜΟΝΑΔΕΣ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ Ονομασία Φυσική σημασία gr διαλυμένης ουσίας/100 % κατά βάρος (% w/w) διαλύματος ml διαλυμένης ουσίας/100 ml % κατ όγκο (% v/v) διαλύματος gr διαλυμένης ουσίας/100 ml % βάρος κατ όγκο (%w/v) διαλύματος Χρησιμοποιείται μόνο σε αέρια μίγματα, και είναι η πίεση του Μερική πίεση αερίων κάθε συστατικού του αερίου όταν καταλαμβάνει μόνο του το συγκεκριμένο όγκο Μοριακότητα, Μ, ή συγκέντρωση πυκνότητας ουσίας, μολαρικότητα (molarity) Μοριακότητα ανά μάζα διαλύτη, m, ή μολαλικότητα (molality) Κανονικότητα, Ν (normality) Μοριακό κλάσμα ή κλάσμα ποσότητας (mole fraction) mol συστατικού σε 1 L διαλύματος mol συστατικού σε 1 Kg διαλύτη eq συστατικού σε 1 L διαλύματος Ποσότητα ουσίας συστατικού (αριθμός mol) προς το σύνολο της ποσότητας της ουσίας όλων των συστατικών (συνολικός αριθμός mol)

2 1. Μοριακότητα κατ όγκο ή μολαρικότητα ή συγκέντρωση ποσότητας ουσίας (molarity, Μ): Περιγράφει τον αριθμό των moles της ουσίας που είναι διαλυμένα σε διάλυμα όγκου 1 λίτρου. π.χ. Υδατικό διάλυμα 3,5 Μ KCl ή 3,5 mol/l: Είναι ένα διάλυμα KCl σε νερό, που περιέχει 3,5 moles KCl σε 1 λίτρο διαλύματος. Συγκέντρωση και moles C = n / V n = m / M r 2. Μοριακότητα κατά βάρος ή μολαλικότητα (molality, m): Περιγράφει τον αριθμό των moles της ουσίας που είναι διαλυμένα σε διαλύτη βάρους 1000 gr. π.χ. Υδατικό διάλυμα 3,5 m KCl ή 3,5 mol/1000 gr: Είναι ένα διάλυμα KCl σε νερό, που περιέχει 3,5 moles KCl σε 1000 gr νερού. (Χρησιμοποιείται συνήθως όταν ο διαλύτης είναι άλλος εκτός του νερού). 3. Κανονικότητα (Normality, N): Περιγράφει τον αριθμό των ισοδυνάμων (eq) της ουσίας που είναι διαλυμένα σε διάλυμα όγκου 1 λίτρου. π.χ. Υδατικό διάλυμα 3,5 N KCl ή 3,5 eq/l: Είναι ένα διάλυμα KCl σε νερό, που περιέχει 3,5 ισοδύναμα KCl σε 1 λίτρο διαλύματος. Το ισοδύναμο βάρος (EW) μιας ουσίας σχετίζεται με το μοριακό της βάρος.

3 Ισοδύναμο βάρος, EW = Mr / α Για ιόντα: α= φορτίο του ιόντος Για οξέα και βάσεις: α= αριθμός των Η+ ή των ΗΟ- που αντιδρούν Για οξειδο-αναγωγικές αντιδράσεις: α= αριθμός των ηλεκτρονίων που ανταλλάσσονται Ισοδύναμα: eq = m / EW Ισοδύναμα και κανονικότητα όπου: eq: ισοδύναμα m: μάζα της ουσίας σε g EW: ισοδύναμο βάρος Κανονικότητα: N = eq / V όπου: Ν: κανονικότητα σε eq/l eq: ισοδύναμα V: όγκος του διαλύματος σε L 4. Μοριακό κλάσμα ή κλάσμα ποσότητας ουσίας: Περιγράφει τον αριθμό των moles της ουσίας ως προς το συνολικό αριθμό moles όλου του διαλύματος, παίρνει τιμές από 0 έως 1. π.χ. Μοριακό κλάσμα μιας ουσίας 0,4 σημαίνει ότι για κάθε 10 moles όλων των συστατικών του διαλύματος, τα 4 ανήκουν στην ουσία αυτή.

4 5. Εκατοστιαία σύσταση κατά μάζα (m/m) ή κατά βάρος (% w/w), ή απλά % κ. β.: Περιγράφει τον αριθμό των gr της διαλυμένης ουσίας ανά 100 gr του διαλύματος (χρησιμοποιείται στα εμπορικά πυκνά διαλύματα οξέων και βάσεων). 6. Εκατοστιαία σύσταση μάζα κατ όγκο (% m/v) ή βάρος κατ όγκο (% w/v), ή απλά % κ. o.: Περιγράφει τον αριθμό των gr της διαλυμένης ουσίας ανά 100 ml του διαλύματος (παρασκευή αραιών υδατικών διαλυμάτων διαφόρων ουσιών). 7. Εκατοστιαία σύσταση κατ όγκο (%v/v) ή % κ. o.: Περιγράφει τον αριθμό των ml της διαλυμένης ουσίας ανά 100 ml του διαλύματος [διαλύματα αερίων σε αέρια, π.χ. ο ατμοσφαιρικός αέρας περιέχει 20% v/v οξυγόνο και 79% v/v άζωτο (θεωρείται ο διαλύτης)]. 8. Εκατοστιαία σύσταση όγκο κατά μάζα ή βάρος (%v/w) ή απλά % o.κ.β.: Περιγράφει τον αριθμό των ml της διαλυμένης ουσίας ανά 100 gr του διαλύματος (χρησιμοποιείται σπάνια για διαλύματα αερίων σε υγρά). 9. Μέρη ανά εκατομμύριο (ppm, parts per million): Περιγράφει τα μέρη μάζας της ουσίας ανά ένα εκατομμύριο μέρη μάζας του διαλύματος, ή τα μέρη όγκου της ουσίας ανά ένα εκατομμύριο μέρη όγκου του διαλύματος.

5 π.χ. Υδατικό διάλυμα ΚΟΗ 1 ppm (βάρους) σημαίνει ένα διάλυμα στο οποίο έχουν διαλυθεί: 1gr KOH ανά 10 6 gr νερού ή 1 mgr KOH ανά 10 3 gr νερού ή 1 μgr KOH ανά 1 gr νερού Επειδή για το νερό 1 ml έχει μάζα 1 gr, ισχύει ότι: 1 ppm = 1 mgr/1000 gr = 1 mgr/l = 1 μgr/ gr =1 μgr/ ml 10. Μέρη ανά δισεκατομμύριο (ppb, parts per billion): Περιγράφει τα μέρη μάζας της ουσίας ανά ένα δισεκατομμύριο μέρη μάζας του διαλύματος, ή τα μέρη όγκου της ουσίας ανά ένα δισεκατομμύριο μέρη όγκου του διαλύματος. π.χ. Υδατικό διάλυμα ΚΟΗ 1 ppb (βάρους) σημαίνει ένα διάλυμα στο οποίο έχουν διαλυθεί: 1gr KOH ανά 10 9 gr νερού ή 1 mgr KOH ανά 10 6 gr νερού ή 1 μgr KOH ανά 10 3 gr νερού ή 1ngr KOH ανά 1 gr νερού Επειδή για το νερό 1 ml έχει μάζα 1 gr, ισχύει ότι: 1 ppb = 1 μgr/1000 gr = 1 μgr/l = 1 ngr/gr =1 ngr/ml ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΣ ΜΟΝΑΔΩΝ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ 1) Για τη μετατροπή των ppm σε mol/l: Μχ = σχετική ατομική ή μοριακή μάζα d (αριθμός ppm). = (αριθμός mol)/ L 1000 Mx

6 ή για υδατικά διαλύματα: 1 (αριθμός ppm). = (αριθμός mol)/ L 1000 Mx Για τη μετατροπή ppm σε % κ. β: αριθμός ppm = % κ. β 2) Για τη μετατροπή των mol/l σε %β.κ.ο.: (αριθμός mol)/l x Mx/10 = %β.κ.ο 3) Για τη μετατροπή των mol/l σε eq/l: (αριθμός mol)/l = f x (αριθμός eq)/l f = αρνητικό ή θετικό φορτίο των κατιόντων ή ανιόντων ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΩΝ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΕΩΝ 1. Να υπολογιστεί η μοριακή κατ όγκο συγκέντρωση καθώς και η κανονικότητα του πυκνού θειικού οξέος του εμπορίου όταν η κατά βάρος περιεκτικότητά του είναι 95% και η πυκνότητά του 1,84 gr/ml. Το 1 ml δ/τος έχει μάζα 1,84 gr Τα 1000 ml χ = ; 1840 gr Σε 100 gr δ/τος τα 95 gr είναι Η 2 SO 4 (τα 5 είναι Η 2 Ο) Άρα σε 1840 gr χ = ; 1748 gr

7 Η μάζα αυτή του Η 2 SO 4 αντιστοιχει σε: n = m/m.b = 1748/98 = 17,83 mol Συνεπώς το πυκνό Η 2 SO 4 περιέχει 17,83 mol Η 2 SO 4 /1000mL δ/τος ή έχει μοριακότητα 17,83 Μ. Η κανονικότητά του υπολογίζεται από της σχέση: N = f x M = 2 x 17,83 = 35,66 eq/l 2. Να υπολογιστεί η μοριακή κατ όγκο του κορεσμένου υδατικού δ/τος του KCl (M.B=74,6) στους 80 0 C, όταν η διαλυτότητα του στη θερμοκρασία αυτή είναι 50%, και η πυκνότητα του δ/τος είναι 1,343 g/ml. Πώς μπορούν από το δ/μα αυτό να παρασκευαστούν 500 ml ενός αραιού δ/τος 2686 ppm ως προς KCl; Το 1 ml δ/τος έχει μάζα 1,343 gr Τα 1000 ml χ = ; 1343 gr Σε 100 gr κορεσμένου δ/τος διαλύονται 50 gr KCl Άρα σε 1343 gr (που αντιστοιχούν σε 1L) χ = ; 671,5 gr Το 1mole KCl έχει μάζα 74,6 gr x=; 9mol 671,5 gr Άρα η μολαρικότητα του κορεσμένου δ/τος είναι 9Μ. H μολαρικότητα αυτή μετατρέπεται σε ppm (Αριθμός mol/l) x 1000 x M KCl = αριθμός ppm 9 x 1000 x 74,6 = ppm KCl άρα: x V = 500 x 2686 και V = 2 ml.

8 3. Διαθέτουμε δύο δ/τα CaCO3, το ένα έχει συγκέντρωση 150 ppm και το άλλο 300 ppm. Ποιους όγκους από το κάθε δ/μα πρέπει να αναμίξουμε ώστε να παρασκευάσουμε 100 ml δ/τος συγκέντρωσης 200 ppm; Συμβολίζουμε με α και β τους δύο άγνωστους όγκους (σε ml) και επιδιώκουμε το σχηματισμό δύο εξισώσεων με τους δύο αυτούς αγνώστους ώστε να προκύψει σύστημα. Θα ισχύει: α + β =100 (1) Σχέση ανάμιξης: α x c 1 + β x c 2 = c x (α + β) α x β x 300 = 200 x 100 α = 66,667 ml και β = 33,333 ml 4. Ποια η επί τοις εκατό w/v περιεκτικότητα υδατικού δ/τος NH 3 14,6% w/w και ειδικού βάρους 0,94 (καθαρός αριθμός). Ποια η μοριακότητα και η μολαλικότητα του δ/τος; Το 1 ml δ/τος έχει μάζα 0,94 gr Τα 1000 ml χ = ; 940 gr Σε 100 gr δ/τος περιέχονται 14,6 gr NH gr χ = ; 137,24 gr Άρα και σε 1000 ml δ/τος περιέχονται 137,24 gr NH 3 Η μάζα αυτή της NH 3 αντιστοιχει σε: n = m/m.b = 137,24/17 = 8,07 mol Συνεπώς μοριακότητα είναι 8,07 Μ. Η μολαλικότητα του υπολογίζεται ως εξής:

9 Σε 100 gr δ/τος περ. 85,4gr H 2 O 14,6 gr NH 3 Σε 1000 gr χ = ; 170,96 gr Η μάζα αυτή της NH 3 αντιστοιχει σε: n = m/m.b = 170,96/17 = 10,06 mol Συνεπώς μολαλικότητα είναι10,06 m. 5. Να υπολογιστεί η μοριακότητα και η μολαλικότητα δ/τος άλατος Mohr, όταν το δ/μα του περιέχει 100 ppm σιδήρου (στο δ/μα δεν υπάρχει άλλη ένωση του σιδήρου και η πυκνότητά του θεωρείται 1gr/ ml). Αφού το διάλυμα είναι 100 ppm σε Fe, σημαίνει ότι σε 1000 ml διαλύματος περιέχονται 100 mg Fe ή 0.1 g, που αντιστοιχούν σε n moles: n = m / M Fe = 0,1 / 55,84 = mol Ο μοριακός τύπος του άλατος του Mohr είναι FeSO 4 (NH 4 ) 2 SO. 4 6H 2 O, δηλαδή κάθε μόριο του άλατος περιέχει ένα άτομο Fe. Επομένως η μολαρικότητα του διαλύματος ως προς το άλας Mohr θα ταυτίζεται αριθμητικά με τη μολαρικότητα του διαλύματος ως προς Fe, δηλαδή θα είναι 1., M. Η μολαρικότητα του διαλύματος είναι πρακτικά ίδια, γιατί το διάλυμα είναι πολύ αραιό, και δεν περιέχονται σ αυτό άλλα συστατικά. Γενικά, υδατικά διαλύματα ενός συστατικού θεωρούνται πολύ αραιά όταν η περιεκτικότητα τους σε συστατικό είναι μικρότερη από 1 g / L.

10 6. Νερό περιέχει 1% θειϊκό ασβέστιο (CaSO 4 ) κ.β. Εκφράσατε τη συγκέντρωση του CaSO 4 σε όρους mg/l και σε εκατομυριοστά [parts per million (ppm)]. Πόσο ασβέστιο (Ca +2 ) σε mg/l περιέχεται στο νερό. Δίνεται πυκνότητα νερού, ρ Η2Ο =1 kg/l. 10grCaSO 4 10gr 1% CaSO 4 κ.β. = = = mg/l 1000 grh 2 O l H 2 O 1grCaSO 4 1 X % CaSO 4 κ.β. = = = = ppm 100 grh 2 O 100 X Για να υπολογισθεί η συγκέντρωση του ασβεστίου στο νερό υπολογίζεται πρώτα το μοριακό βάρος (ΜΒ) του CaSO 4 : MB CaSO 4 = X 16 = 136 gr Άρα Ca +2 (mg/l) = mg/l X (40/136) = 2941 mg/l Πώς αλλάζει η τιμή της συγκέντρωσης του CaSO 4 αν η πυκνότητα του νερού ισούται με 1,03 kg/l. Η συγκέντρωση σε όρους ppm παραμένει ίδια 10gr 10 gr 1% CaSO 4 = = = mg/l H 2 O 1000 grh 2 O 1000 / 1,03 l

11 7. Υπολογίστε την μοριακή συγκέντρωση M (molarity) και κανονικότητα N (normality) του διαλύματος που περιέχει 1% σε CaSO 4 κ.β. MB CaSO 4 = 136 moles CaSO 4 M = = 10 gr/l x (1/136) = 0,07 M ή 70 mm CaSO 4 l διαλύματος Κανονικότητα με βάση τα φορτία Ca +2 ισοδύναμο βάρος = 136/2 = 68 gr N = 2 X 0,07 = 0,14 eq ή 140 meq 8. Βρείτε την κανονική συγκέντρωση των ακόλουθων διαλυμάτων: Α) 120 mg/l CO 3-2 με βάση τα ιόντα Φορτίο ιόντων CO 3-2 = 2 ΜΒ CO 3-2 = X 16 = 60 gr Ισοδύναμο βάρος 60/2 = 30 gr/eq 120 mg/l Κανονική συγκέντρωση CO -2 3 = = 4 X mg/eq eq/l = 4 meq/l B) 36,5 mg/l HCl HCl H + + Cl- άρα ισοδύναμο βάρος = ΜΒ/1 = 36,5 g/eq = 36,5 mg/meq

12 Άρα κανονική συγκέντρωση 36,5 mg/l N HCl = = 1 meq/l 36,5 mg/meq Γ) 120 mg/l CO 3 - με βάση την αντίδραση CO H + H 2 CO 3 MB CO -2 3 = 60 gr Ισοδύναμο βάρος 60/2 = 30 gr/eq = 30 mg/meq Άρα κανονική συγκέντρωση Κανονική συγκέντρωση CO mg/l = = 4 meq/l 30 mg/meq Δ) 120 mg/l CO 3-2 με βάση την αντίδραση CO Η 2 Ο ΗCO OH - 1 HO - αντιδρά με 1 mole CΟ 3-2 ισοδύναμο βάρος CΟ 3-2 MB = = 60/1 = 60 gr/eq = 60 mg/meq 1 eq/mole 120 mg/l Άρα κανονικότητα = = 2 meq/l 60 mg/eq

13 9. Να μετατραπούν 1,25 meq/l O 2 σε mg/l με βάση την ακόλουθη αντίδραση οξειδοαναγωγής: O 2 + 4e - + 4H + 2H 2 O 1 mole O 2 = MB O 2 /4e - = 8 gr/eq = 8 mg/meq Άρα 1,25 meq/l O 2 = 1,25 eq/l x 10-3 x 8 gr/eq = 10 X 10-3 gr/l = 10 mg/l.